第3章 原始地球与生物进化(2)

深海热液生物群落的发现极大地震惊了生物界。这表明地球上存在着另一类生命系统，它们无需光合作用，无需以植物作为食物链的基础，在这里地热能代替了太阳能，在黑暗、酷热的环境下靠完全不同的化学合成有机质的方式来维持生命活动，这就是黑暗世界的食物链系统。

在大陆坡、深海区分布着天然气水合物，即可燃冰。一旦海底升温或减压，就会释放出大量的甲烷，在海水中形成甲烷柱，被科学家称为“冷泉”。在冷泉附近可以形成特殊的生物群落。

近年来，在最古老的太古代的绿岩带里发现了类似现代海洋中脊的深海烟囱，更证明了这一假说。

宇宙起源说

科学家发现彗星陨石中含有构成生物体所需要的有机物，如氨基酸等。银河系星云中也发现了大量的有机分子。火星比地球小，离太阳较远，故地壳冷却较早，原始生命的形成可能比地球更早。

构成生命物质的主体

碳（C）、氢（H）、氮（N）、氧（O）、磷（P）、硫（S），这6种元素组成的不计其数的分子构成了生命物质的主体，它们也是生命化学起源中的主角。可这些元素是以怎样的姿态从远古的环境中走进生命的呢？

碳、氢、氮、氧元素的存在

40亿年前地球大气层中没有氧气存在。游离氧是生命的产物。这是科学上不争的事实。原始大气的组成依然是一个争论的问题。长期以来有一种观点，由于著名的尤里——米勒实验而盛行起来，即大气中包含氢气（H₂）、甲烷（CH₄）、氨（NH₃）和水蒸气（H₂ O），因而富含氢。这种观点已受到严重怀疑。实际上，米勒实验最主要的贡献是为原始环境中由无机分子合成有机物的可能性提供了一种证据，而不是去证明原始大气中存在哪些物质。

很多专家认为，碳可能不是以和氢化合的形式（甲烷）而是以和氧化合的形式存在（主要是二氧化碳C₂）。氮很可能是以分子氮（N₂）或者是一种或几种与氧化合的形式存在，而不是以氨存在。氢气最多也只有极少量。

磷、硫元素的存在

那么磷呢？这种元素作为生物体中很多重要分子的组成成分，尤其是磷酸的组成成分，在太古时候是怎么存在的？令人奇怪的是在现今物质世界，至少在自然溶液中很难发现磷酸盐的存在。地球上有丰富的磷，但却被固锁在不溶于水的磷酸钙中，构成磷灰石矿。在海水和淡水中磷酸盐的含量也极低。稀有的磷酸盐分子如何起到生物学中心的作用？这是一个有趣的问题。其中一个可能回答是酸性，当磷灰石暴露在哪怕是很弱的酸性介质中时也能轻易地释放出磷酸。或许太古时代的水环境就具有这样的酸性。

另外，从现存火山口附近的气体分析来看，拥有特殊的臭鸡蛋气味的硫化氢气体让人印象深刻。既然太古时期的地球上火山林立，因此没有什么理由排除这样一种可能性，那就是当时的大气中含有硫化氢。

地质时代与生物进化

地史学家根据古生物的演化和地壳的运动，将地球的历史分为五大时代，即太古代、元古代、古生代、中生代和新生代。这就是地质时代。在每一个地质时代，生物的面貌都有着与这个地质时代紧密关联的特点。一定程度上说，生物面貌决定于所处的地质时代。

地质时代的单位为：宙、代、纪、世、期、时。整个地壳历史划分为隐生宙和显生宙两大阶段。宙之下分代，隐生宙分为太古代、元古代，显生宙又划分为古生代、中生代、新生代。代之下又可划分若干纪，如寒武纪、侏罗纪、第四纪。每个纪又分为二个或三个世，世下分若干期，世以上的划分与名称是国际性的，是世界统一的，世以下的划分与名称是按各地区实际情况来决定的。

地史学家根据古生物的演化和地壳的运动，将地球的历史分为五大阶段，也就是五个代，即太古代、元古代、古生代、中生代和新生代。

太古代属于隐生宙，地球上的生命还处在孕育阶段。在距今35亿年前的地层里已经有细胞群体，在距今32亿年的地层里已经有细菌，不过可靠的化石记录不多。一般认为，晚期有细菌和低等蓝藻存在。

化石研究表明，元古代时，蓝藻和细菌已经开始繁盛，并且出现了原生动物。到末期，一些低等动物开始出现，如海绵（属海绵动物门）、水母和水螅（后两种属腔肠动物门）等。

古生代分为若干个纪：

（1）寒武纪：这个时期地壳相对平静，浅海面积大。以藻类和水生无脊椎动物三叶虫（属节肢动物门）为主，此纪又称为“藻类时代”或“三叶虫时代”。

（2）奥陶纪：这个时期地壳仍然平静，浅海面积大。植物仍然以藻类为主。某些水生无脊椎动物非常繁盛，如三叶虫、腕足类（属拟软体动物门）、头足类（属软体动物门）和笔石（属口索动物亚门）以及某些珊瑚（属腔肠动物门）。此外，这一时期出现了原始脊椎动物——甲胄鱼类。

（3）志留纪：这个时期初期地壳平静，后期发生强烈的造山运动，就是由水平方向的压力把地层褶皱成山并且造成断裂的运动。植物界出现了原始陆生植物裸蕨。动物界无脊椎动物如三叶虫、腕足类、笔石、珊瑚等仍然繁盛。此纪末期原始鱼类开始繁盛。

（4）泥盆纪：这个时期，地壳表面出现了高山和陆地，气候变得干燥炎热。植物、动物开始向陆地发展，出现了大森林，原始的陆生动物两栖类和昆虫（是节肢动物门的一个重要的纲）开始欣欣向荣。同时海里的鱼类大发展，因此，此纪又被称为“鱼类时代”。

（5）石炭纪：这个时期，气候湿热，蕨类有了极大的发展，陆地上出现大片造煤森林。两栖类动物和昆虫十分繁盛，所以有“两栖动物时代”的称呼。这个纪末期出现了原始爬行类动物。

（6）二叠纪：这个时期，地壳运动剧烈，气候干热。植物界裸子植物开始发展。动物界仍以两栖类动物为主，爬行类动物开始征服陆地。

中生代时期，地壳开始稳定，气候温暖湿润。裸子植物和爬行类动物恐龙等十分繁盛，有“恐龙时代”之称。中生代也分若干个纪：

（1）三叠纪：这个时期裸子植物大发展，爬行类动物恐龙逐渐兴盛，并且出现了最原始的哺乳类动物。

（2）侏罗纪：这个时期，裸子植物继续发展，恐龙在动物界占统治地位。末期出现了鸟类。

（3）白垩纪：此时，被子植物出现，动物界爬行类动物恐龙衰落灭绝，哺乳类开始兴起。

新生代时，地壳又趋向不稳定，海陆重新分布，气候变冷。植物界被子植物迅速发展，动物界鸟类和哺乳类大发展，所以这个时期，又被称为“被子植物时代”或“哺乳动物时代”。

生命进化规律

地球上的生命，从最原始的无细胞结构生物进化为有细胞结构的原核生物，从原核生物进化为真核单细胞生物，然后按照不同方向发展，出现了真菌界、植物界和动物界。植物界从藻类到裸蕨植物再到蕨类、裸子植物，最后出现了被子植物。

动物界从原始鞭毛虫到多细胞动物，从原始多细胞动物到出现脊索动物，进而演化出高等脊索动物——脊椎动物。脊椎动物中的鱼类又演化到两栖类再到爬行类，从中分化出哺乳类和鸟类，哺乳类中的一支进一步发展为高等智慧生物人。这就是生命进化的主线。

进化的进步性

生物界的历史发展表明，生物进化是从水生到陆生、从简单到复杂、从低等到高等的过程，从中呈现出一种进步性发展的趋势。一般说来，进化过程的进步具有如下特征：

（1）在生物界的前进运动中，可以看到不同层次的形态结构的逐步复杂化和完善化；与此相应，生理功能也日益专门化，效能亦逐步增高。

（2）从总体上看，遗传信息量随着生物的进化而逐步增加。

（3）内环境调控的不断完善及对环境分析能力和反应方式的发展，加强了机体对外界环境的自主性，扩大了活动范围。

生物进化的道路是曲折的，表现出种种特殊的复杂情况。除进步性发展外，生物界中还存在特化和退化现象。特化不同于全面的生物学的完善化，它是生物对某种环境条件的特异适应。这种进化方向有利于一个方面的发展却减少了其他方面的适应性，当环境条件变化时，高度特化的生物类型往往由于不能适应而灭绝。对寄生或固着生活方式的适应，也可使机体某些器官和生理功能趋向退化。

进化的方式

生物界各个物种和类群的进化，是通过不同方式进行的。物种形成（小进化）主要有两种方式：一种是渐进式形成，即由一个种逐渐演变为另一个或多个新种；另一种是爆发式形成，即多倍化种形成，这种方式在有性生殖的动物中很少发生，但在植物的进化中却相当普遍，世界上约有一半左右的植物种是通过染色体数目的突然改变而产生的多倍体。物类形成（大进化）常常表现为爆发式的进化过程，从而使旧的类型和类群被迅速发展起来的新生的类型和类群所替代。

渐进化是达尔文进化论的一个基本概念。达尔文认为，在生存斗争中，由适应的变异逐渐积累就会发展为显著的变异而导致新种的形成。因为“自然选择只能通过累积轻微的、连续的、有益的变异而发生作用，所以不能产生巨大的或突然的变化，它只能通过短且慢的步骤发生作用”。

与达尔文的主张相反，有些早期遗传学家却认为，新种可由大的不连续变异即突变直接产生，并把这种方式看作是进化变化的主要源泉，认为自然选择对生物的进化不起积极作用。现代进化论坚持达尔文的渐变论思想和自然选择的创造性作用，强调进化是群体在长时期的遗传上的变化，认为通过突变（基因突变和染色体畸变）或遗传重组、选择、漂变、迁移和隔离等因素的作用，整个群体的基因组成就会发生变化，造成生殖隔离，演变为不同物种。

20世纪70年代以来，一些古生物学者根据化石记录中显示出的进化间隙，提出间断平衡学说，代替传统的渐进观点。他们认为物种长期处于变化很小的静态平衡状态，由于某种原因，这种平衡会突然被打断，在较短时间内迅速成为新种。

总体上说，生物的进化既包含有缓慢的渐进，也包含有急剧的跃进；既是连续的，又是间断的。整个进化过程表现为渐进与跃进、连续与间断的辩证统一。

进化的证据

构成地球表层的成层岩石，叫做地层。一般情况下，先沉积的地层在下面，后沉积的地层在上面，所以，下面的地层的年代比上面的古老。人们在挖掘地层时，常常发现一些古代生物的遗体和遗迹。这些生物的遗体和遗迹，经过若干万年矿物质的填充和交换作用，已形成了生物化石。这样，生物化石就成了证明生物进化的可靠证据。

从不同地层出土的古代生物化石显示：结构越简单的生物化石，出现在越古老的地层里；相反，结构越复杂的生物化石，出现在越新近的地层里，这充分说明，生物是由结构简单逐渐向结构复杂进化的。现在地球上多姿多彩的生物，不是从地球一开始就这样的，而是自从地球上出现了最原始的生命体以后，经过几十亿年的漫长时间逐步发展进化而来的。

进化的原因

我们已经知道了现代的生物是由古代的生物经过长期进化而来的。那么，生物进化的原因是什么？生物进化的过程又是怎样的？

英国博物学家达尔文经过多年考察和研究，认为自然界中物种多样性是自然选择的结果。达尔文认为，动植物都具有很强的繁殖能力，但是实际上每种生物的后代，能够发育长大而生存下来的个体却很少，为什么会有这样的现象？达尔文认为，这是由于过度繁殖而导致个体间生存斗争的结果。地球上生物赖以生存的生活条件（食物、空间和水体等）是有一定限度的，过度繁殖的大量生物个体要生存下去，就得进行生存斗争。生物的生存斗争，除了个体（同种生物或不同种生物）之间在争夺有限的生活条件而进行殊死斗争以外，还有生物与自然条件（干旱、寒冷等）之间的斗争。在生存斗争过程中，那些具有有利于生存的变异个体，就容易生存下来并且繁殖后代；那些具有不利于生存的变异的个体，则容易被淘汰。地球上的各种生物通过激烈的生存斗争，适应者生存下来，不适应者则被淘汰。达尔文把在生存斗争中适者生存，不适者被淘汰的过程，叫做自然选择。

达尔文的自然选择学说，正确地解释了生物界的多样性和适应性，这对于人们正确认识生物界具有重要的意义。

自然选择的结果

长颈鹿的祖先，有的颈和前肢长些，有的颈和前肢短些，而颈和前肢长短的性状是可以遗传的。后来，它们生活的地区气候变得干旱了，地上的青草减少了，这时，颈和前肢长的由于能够吃到树上高处的树叶而容易生存下来，并且繁殖后代；而那些颈和前肢短的由于吃不到足够的食物而容易被淘汰。这就是自然选择的结果。